Julie Delpy, 1969'da tiyatro yönetmeni Albert Delpy ve aktris Marie Pillet (1941-2009) çiftinin tek çocuğu olarak Paris'te doğdu. Anne ve babasının etkisiyle sanat ve oyunculuk sevgisi dolu bir çocukluğun ardından oyunculuğa yöneldi. Ünlü yönetmen Jean-Luc Godard'ın dikkatini çektikten sonra 1985 yılında yönettiği Détective filmi ile sinemaya atıldı. Akabinde oynadığı Mauvais Sang ve La Passion Béatrice filmleriyle Gelecek Vaadeden Oyuncu dalında 2 kez Cesar Ödülü'ne aday oldu. 1991'de başrolünde oynadığı Voyager ile Avrupa Film Ödülleri'nde En İyi Kadın Oyuncu adaylığı kazandı. Polonyalı yönetmen Krzysztof Kieślowski'nin Üç Renk üçlemesinin 2. filmi Beyaz'da yine başroldeydi. Karol'un eşi Dominique rolüyle yine beğeni kazanmıştı. 1995'te NYU Film Okulu'nda yönetmenlik eğitimi gördükten sonra, Blah Blah Blah isimli kısa filmi hem yazdı hem de yönetti. Asıl büyük çıkışını aynı yıl oynadığı Ethan Hawke'la başrollerini paylaştığı Gün Doğmadan filmindeki Céline rolüyle yaptı. 2001'de yine Linklater'ın yönettiği animasyon Waking Life'da yer aldıktan sonra, ilk filmin 9 yıl sonrasında gelen, senaryosunu Ethan Hawke'la beraber yazdığı Gün Batmadan'da oynadı. Bu arada ilk uzun metrajlı yönetmenlik deneyiminde, 2002'de Looking for Jimmy filmini yönetti. 2006'da Richard Gere ile Sahtekar (The Hoax) filminde oynadı. 2007'de 2 Days in Paris, 2009'da The Countess filmlerini yazıp yöneterek başrolünde oynadı. 2013'te, bu kez Before Sunset'in 9 yıl sonrasında Geceyarısından Önce filminde yine Ethan Hawke ile başrolde yer aldı.
2017 Avrupa Film Ödülleri'nde Dünya Sineması'na katkılarından dolayı Hayat Boyu Başarı Ödülü kazandı.
Ayrıca müzisyen kimliği de olan Delpy, 2003 yılında kendi adını taşıyan bir albüm yayınladı. 2007 ile 2012 arasında Alman müzisyen Marc Streitenfeld ile birliktelik yaşayan Delpy'nin 2009 doğumlu Leo adında bir oğlu bulunmaktadır. ABD'de uzun yıllar yaşayan sanatçı, 2001 yılında ABD vatandaşlığı almıştır.